[发明专利]包含支撑丝的混合式能量存储装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是：

于2013年2月27日提交的美国非临时专利申请13/779,409的部分继续申请；

于2012年12月21日提交的美国非临时专利申请序列号13/725,969的部分继续申请；

并且要求以下美国临时专利申请的权益和优先权：

于2012年7月3日提交的61/667,876、

于2012年7月30日提交的61/677,317、

于2013年3月29日提交的61/806,819、和

于2013年1月14日提交的61/752,437。

本申请还涉及全部于2013年3月26日提交的13/779,472、13/779,522和13/779,571美国非临时专利申请。

所有的上述临时和非临时的专利申请的公开内容据此通过引用并入本文。

本发明是在美国国家自然科学基金授予的名为CMMI-1100830和EPSCoR Award EPS-09038的项目的资助下完成的。美国政府可以享有本发明的某些权利。

背景

发明领域

本发明在包括但不限于电池、电容器和燃料电池的能量存储装置的领域中。

相关技术

可再充电的锂离子电池是用于在便携式电子设备、电动工具和未来的电动交通工具中电力供应的关键的电能存储装置。提高比能容量、充电/放电速度和循环寿命对它们更广泛的应用是关键性的。

在目前商业的锂离子电池中，石墨或其他碳质材料通过形成充分嵌入的LiC₆化合物而被用作具有372mAh/g的理论容量极限的阳极。相反地，硅通过形成充分锂化的金属Li_4.4Si而具有高得多的4,200mAh/g的理论比容量。然而，锂化的硅的高至～300％-400％的大体积膨胀引起以往不可避免地导致断裂和机械故障的极大的结构应力，这显著限制现有技术硅阳极的寿命。

概述

在一些实施方案中，一种储能装置包括在高性能锂离子阳极中的混合的核-壳NW(纳米线)构造，这是通过结合同轴涂覆有无定形硅层的竖直排列的碳纳米纤维(VACNF)阵列。竖直排列的CNF包括多壁的碳纳米管(MWCNT)，该多壁的碳纳米管使用直流偏置的等离子体化学气相沉积(PECVD)方法可选择地在铜基材上生长。通过此方法生长的碳纳米纤维(CNF)能够具有独特的内部形态，该形态将它们区别于普通的MWCNT和常规的固体碳纳米纤维的中空结构。区别特征之一是这些CNF可选择地由横穿主要的中空中心通道的一系列竹子状节点组成。这种微结构可以归因于本文其他地方进一步讨论的锥形石墨杯堆叠。在较大的长度规模下，这些PECVD-生长的CNF典型地垂直于基材表面均匀排列并很好地彼此分离。它们可能无任何缠结或有最小的缠结，且因此形成被称为VACNF阵列的刷子状结构。单独的CNF的直径可以被选择为提供期望的机械强度以使VACNF阵列是坚固的且能够通过硅沉积和湿电化学测试保持其完整性。

本发明的多种实施方案包括除了VACNF之外的几种类型的支撑丝。这些支撑丝可以包括，例如纳米线、碳片或本文描述的其他结构。其他实施方案不包括任何支撑丝并且改为使用粘合剂。

本发明的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维，该碳纳米纤维包括多个多壁的碳纳米管；以及电解质，该电解质包括一种或多种电荷载体。

本发明的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维；以及嵌入材料层，该嵌入材料层被布置在所述多个竖直排列的碳纳米纤维上且被配置为具有每克嵌入材料约1,500和4,000mAh之间的锂离子存储容量。

本发明的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维；以及嵌入材料层，该嵌入材料层被布置在所述多个竖直排列的碳纳米纤维上且被配置为使得在1C和3C的充电率下该嵌入材料的离子存储容量大约是相同的。

本发明的多种实施方案包括一种生产能量存储装置的方法，该方法包括提供基材；在基材上生长碳纳米纤维，该碳纳米纤维具有叠锥(stacked-cone)结构；以及将嵌入材料施加到碳纳米纤维，该嵌入材料被配置用于电荷载体的嵌入。